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四通道遥控飞行器全套入门教程(从最基础的开始)

2019-08-30  金玉满堂...

      此教程就是从一个菜鸟的角度来讲解,现在论坛上的帖子都突然冒很多名词出来,又不成体系,我自己开始学的时候往往一头雾水,相信很多新手也一样。所以在这个帖子里面,我都会把自己遇到的疑惑逐一讲解。

 
                                                                                                                                            无刷电机(4个)
电子调速器(简称电调,4个,常见有好盈、中特威、新西达等品牌)
螺旋桨(4个,需要2个正浆,2个反浆)
飞行控制板(常见有KK、FF、玉兔等品牌)
电池(11.1v航模动力电池)
遥控器(最低四通道遥控器)
机架(非必选)
充电器(尽量选择平衡充电器)

2、四轴零件之间的接线与简单说明
这里写图片描述

  • 4个电调的正负极需要并联(红色连一起,黑色连1一起),并接到电池的正负极上;

  • 电调3根黑色的电机控制线,连接电机;

  • 电调有个BEC输出,用于输出5v的电压,给飞行控制板供电,和接收飞行控制板的控制信号;

  • 遥控接收器连接在飞行控制器上,输出遥控信号,并同时从飞行控制板上得到5v供电;

硬件结构

     四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源,旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向,四个旋翼处于同一高度平面,且四个旋翼的结构和半径都相同,旋翼1 和旋翼3 逆时针旋转,旋翼2 和旋翼4 顺时针旋转,四个电机对称的安装在飞行器的支架端,支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器的结构形式如图 1.1所示。

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四轴主要硬件组成:

  • 架子      电池

  • 四个电机+螺旋桨+电机驱动

  • 飞控板(姿态测量传感器+无线遥控模块+其他)

【电池】

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                                         四轴电池示意图

为什么要选锂电池?

同样电池容量锂电最轻,起飞效率最高。

电池的多少 mah时什么意思?

表示电池容量, 如 1000mah电池, 如果以 1000ma 放电, 可持续放电 1小时。 如果以 500mh放电,可以持续放电 2 小时。

电池后面的 2s,3s,4s什么意思?

代 表锂电池的节数,锂电池 1 节标准电压为 3.7v,那么 2s电池,就是代表有 2 个 3.7v电池在里面,电压为 7.4v。

电池后面多少 c 是什么意思?

代表电池放电能力,这是普通锂电池和动力锂电池最重要区别,动力锂电池需要很大电流放电, 这个放电能力就是 C 来表示的。 如 1000mah电池 标准为 5c, 那么用 5x1000mah,得出电池可以以 5000mh 的电流强度放电。这很重要,如果用低 c 的电池,大电流放电,电池会迅速损坏,甚至自燃。

【电机(motor)】俗称马达,是飞行器的重要组成部分,为四飞行器的飞行提供动力

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【螺旋桨】

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碳纤维材料螺旋桨

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木质材料螺旋桨

首先要说明的是螺旋桨工作时一定要与它要保持一定的距离,不要让它伤到你。

螺旋桨有两个十分重要的指标:直径和几何螺距。几乎所有的螺旋桨在售出的时候都会在其包装上注明例如 8×4.5 这样的字样,第一个数字 8 代表了它的直径,第二个数字4.5代表了它的几何螺距,二者单位均为英寸。此处直径的定义为叶片的直径大小,而它决定了在标准流体实验条件下,螺旋桨在桨旋一周形成的圆形区域内切割空气量的大小, 但是它只能决定产生飞行拉力的大小和扭矩的大小,并不能影响飞行的速度。

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螺旋桨螺距示意图

几何螺距这个参数就可以代表飞行的速度,它定义了在标准流体实验条件下,桨旋一周带动飞行器行进的距离。其实飞行器的桨旋行进轨迹和螺丝的钉头螺纹是一样的,我们不妨这样类比一下。当螺纹的密集程度越大时,将螺丝旋转一周拧进物体的深度越浅,但是密实程度越强;而螺纹密集程度越小时,将螺丝旋转一周拧进物体的深度越深,密实程度反而越弱。螺丝的密集程度在模型参数上其实可以类比为几何螺距尺寸,而密实程度可以类比为扭力大小。当然,由于模型在户外飞行时并不能保证户外空气的标准流体模型,但是这种分析方法同样会对我们选择螺旋桨提供一个很好的参考。几何螺距越大, 飞行速度越快, 但需要更长的时间来加速, 所以加速上升能力就比较差。就像一辆手动挡汽车,假设你在五档行驶,速度肯定比一挡要快很多,但是五档是没有办法爬坡的,因为它扭力不够,航模也是一样,只不过它的扭力取决于几何螺距,也就是桨的尺寸。低螺距的螺旋桨正好相反,速度可能没有前者快,但是它的加速能力较强,攀爬能力较强,控制性较好,这和我们通常开车坡道起步采用低挡位是一个原理。于是有人就会问,有没有一种方法就像汽车能够换挡一样,让飞行器在飞行的时候能够改变桨的尺寸,适应不同情况的需求呢?答案是肯定的,有种可变螺距的螺旋桨能够在飞行的时候改变飞行姿态,满足不同条件,但是这种螺旋桨一般是用在直升机上的,多旋翼飞器涉及的不多。

什么是正反桨,为什么需要它?

四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋,相隔的桨旋转方向是不一样的,所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。适合顺时针旋转的叫正浆、适合逆时针旋转的是反浆。安装的时候,一定记得无论正反桨,有字的一面是向上的(桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致)。

【飞控板】

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飞控板示意图

飞行控制器(飞控)是飞行器的大脑,飞控板上配置有中央处理器、姿态测量传感器、无线接收器等器件,飞控板完成自身稳定的飞行,并且它还要从接收器接受信号,并把信号传输给电调告诉它如何飞行,其中最困难的在于如何保持飞行器飞行的稳定性。为了保持稳定性,飞控板就需要各种各样的传感器完成自身的姿态解算并控制四个电机的输出动力,使自身保持稳定。


自动控制原理该图片由注册用户"互联网说"提供,版权声明反馈

我想对四轴感兴趣的朋友们,一定想过四轴飞行的原理,为什么四轴可以稳定的飞起来呢?外行看热闹,内行看门道,对于四轴可以悬停在空中温度的飞行,不懂内在原理的人有这样一个误区,就是只要四轴的四个螺旋桨旋转的速度一致就可以让四轴平稳的飞起来了,在这里我非常负责任的告诉大家这是不可能的,为什么呢?首先四轴飞行器的重心无法保证刚好在四个螺旋桨的正中心,其次如果有风的干扰等情况都会造成四轴飞行时的不稳定。所以千万不要天真的以为四轴只要四个螺旋桨旋转速度一致就可以让四轴飞起来了,要不然还学自动控制技术干什么用啊,自动控制原理是一门很有用也是很深奥的学问。

典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾浆。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角,从而控制直升机的姿态和位置。四旋翼飞行器与此不同,是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速,实现升力的变化,从而控制飞行器的姿态和位置。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化,这样会导致其动力不稳定,所以需要一种能够长期确保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机,因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力,同时却有六个状态输出,所以它又是一种欠驱动系统。

四旋翼飞行器的结构形式如图1.1所示,电机1 和电机3 逆时针旋转的同时,电机2 和电机4 顺时针旋转,因此当飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与传统的直升机相比,四旋翼飞行器有下列优势:各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反,因此当电机1 和电机3 逆时针旋转的同时,电机2 和电机4 顺时针旋转,可以平衡旋翼对机身的反扭矩。

与直升机相比,四轴飞行器可以实现的飞行姿态较少,不过基本的前进、后退、平移等状态都可以实现。但是四轴飞行器的机械结构远远比直升机简单,维修和更换的开销也非常小,这让四轴飞行器有了比直升机更大的应用优势。

为了保持飞行器的稳定飞行,在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3 轴加速度传感器组成惯性导航模块,可以计算出飞行器此时相对地面的姿态以及加速度、角速度,飞行控制器通过算法计算保持运动状态时所需的旋转力和升力,通过电子调控器来保证电机输出合适的力。

如果四轴上装有气压计模块、电子指南针模块、GPS模块、摄像头,还可以拥有更多的功能,比如定高,定位,拍摄功能等等。

四轴的两种飞行模式:

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四轴六种飞行姿态(+模式):

+模式和 x 模式虽然控制算法不完全一样,但是根本原理是一样的,只要明白一种另一种也就明白了。

  • 垂直运动     俯仰运动

  • 翻滚运行     偏航运动

  • 前后运动      侧向运动

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(1)垂直运动:垂直运动相对来说比较容易。在图中,因有两对电机转向相反,可以平衡其对机身的反扭矩,当同时增加四个电机的输出功率,旋翼转速增加使得总的拉力增大,当总拉力足以克服整机的重量时,四旋翼飞行器便离地垂直上升;反之,同时减小四个电机的输出功率,四旋翼飞行器则垂直下降,直至平衡落地,实现了沿 z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时,在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时,飞行器便保持悬停状态。保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。

(2)俯仰运动:在图(b)中,电机 1的转速上升,电机 3 的转速下降,电机 2、电机 4 的转速保持不变。为了不因为旋翼转速的改变引起四旋翼飞行器整体扭矩及总拉力改变,旋翼 1与旋翼 3转速该变量的大小应相等。由于旋翼1 的升力上升,旋翼 3 的升力下降,产生的不平衡力矩使机身绕 y 轴旋转(方向如图所示),同理,当电机 1 的转速下降,电机 3的转速上升,机身便绕y轴向另一个方向旋转,实现飞行器的俯仰运动。

(3)滚转运动:与图 b 的原理相同,在图 c 中,改变电机 2和电机 4的转速,保持电机1和电机 3的转速不变,则可使机身绕 x 轴旋转(正向和反向),实现飞行器的滚转运动。

(4)偏航运动:四旋翼飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩,为了克服反扭矩影响,可使四个旋翼中的两个正转,两个反转,且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。反扭矩的大小与旋翼转速有关,当四个电机转速相同时,四个旋翼产生的反扭矩相互平衡,四旋翼飞行器不发生转动;当四个电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。在图 d中,当电机 1和电机 3 的转速上升,电机 2 和电机 4 的转速下降时,旋翼 1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩,机身便在富余反扭矩的作用下绕 z轴转动,实现飞行器的偏航运动,转向与电机 1、电机3的转向相反。

(5)前后运动:要想实现飞行器在水平面内前后、左右的运动,必须在水平面内对飞行器施加一定的力。在图 e中,增加电机 3转速,使拉力增大,相应减小电机 1转速,使拉力减小,同时保持其它两个电机转速不变,反扭矩仍然要保持平衡。按图 b的理论,飞行器首先发生一定程度的倾斜,从而使旋翼拉力产生水平分量,因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图 b 图 c中,飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿 x、y轴的水平运动。

(6)倾向运动:在图 f 中,由于结构对称,所以倾向飞行的工作原理与前后运动完全一样。

四轴飞行控制算法:

四轴作为一个飞行控制系统,其本身是一个闭环控制系统,具有反馈调节功能,其主要控制过程分为两个步骤。

  • 姿态解算

  • 控制过程

(1)姿态解算:姿态解算是借助陀螺仪和加速度计传感器测量出系统坐标系的3个方向的角速度以及加速度,然后进行卡尔曼滤波做数据滤波+融合处理,最后用四元素算法或者是欧拉角公式求解出惯性坐标系下的俯仰角(pitch)、翻滚角(roll)、偏航角(yaw),这3个角度成为姿态角。

(2)控制过程:控制过程就是飞控板不停进行姿态解算并算出来当前时刻的姿态角,然后通过控制算法计算出来当前时刻要对四个电机转速的控制值,最终使四轴是3个姿态角始终保持在设定的状态下。如果想要四轴处于悬停状态,只要把3个目标姿态角都设为0°就行了;如果想要四轴处于其他飞行状态,只要调整3个目标姿态角就可以了,四轴就会自动的变化到预设的飞行状态上去。控制算法还是用的PID比较多,不过不是传统的PID,而是对PID做了改进和优化处理了。

【基本原理与名词解释】 

1、遥控器篇

什么是通道?
   通道就是可以遥控器控制的动作路数,比如遥控器只能控制四轴上下飞,那么就是1个通道。但四轴在控制过程中需要控制的动作路数有:上下、左右、前后、旋转
所以最低得4通道遥控器。如果想以后玩航拍这些就需要更多通道的遥控器了。

什么是日本手、美国手?
遥控器上油门的位置在右边是日本手、在左边是美国手,所谓遥控器油门,在四轴飞行器当中控制供电电流大小,电流大,电动机转得快,飞得高、力量大。反之同理。判断遥控器的油门很简单,遥控器2个摇杆当中,上下板动后不自动回到中间的那个就是油门摇杆。

2、飞行控制板篇
一般简称飞控就是这个东西了。
飞控的用途?
如果没有飞控板,四轴飞行器就会因为安装、外界干扰、零件之间的不一致型等原因形成飞行力量不平衡,后果就是左右、上下的胡乱翻滚,根本无法飞行,飞控板的作用就是通过飞控板上的陀螺仪,对四轴飞行状态进行快速调整(都是瞬间的事,不要妄想用人肉完成),如发现右边力量大,向左倾斜,那么就减弱右边电流输出,电机变慢,升力变小,自然就不再向左倾斜。

什么是x模式和+模式?
这里写图片描述
购买飞控的时候老板都要问这个问题,刷买什么模式的,以上就是区别。

X模式要难飞一点,但动作更灵活。+模式要好飞一点,动作灵活差一点,所以适合初学者。

特别注意,x模式和+模式的飞控安装是不同的(我只有kk飞控板,所以只能讲kk飞控)。
如果飞控板安装错误,会剧烈的晃动,根本无法飞。
这里写图片描述
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选什么飞控好?
个人意见初学的先来个kk飞控吧,最便宜,尝个鲜够用了。

电调篇
为什么需要电调?
电调的作用就是将飞控板的控制信号,转变为电流的大小,以控制电机的转速。
因为电机的电流是很大的,通常每个电机正常工作时,平均有3a左右的电流,如果没有电调的存在,飞控板根本无法承受这样大的电流(另外也没驱动无刷电机的功能)。
同时电调在四轴当中还充当了电压变化器的作用,将11.1v的电压变为5v为飞控板和遥控器供电。

买多大的电调?
电调都会标上多少A,如20a,40a 这个数字就是电调能够提供的电流。大电流的电调可以兼容用在小电流的地方。小电流电调不能超标使用。
根据我简单测试,常见新西达2212加1045浆最大电机电流有可能达到了5a,为了保险起见,建议这样配置用30a 或 40a电调(大家用20a电调的也多),说买大一点,以后还可以用到其他地方去。

四轴专用电调是什么意思?
因为四轴飞行要求,电调快速响应,而电调有快速响应和慢速响应的区别,所以四轴需要快速响应的电调。
其实大多数常见电调是可以编程的,能通过编程来设置响应速度。所以其实并没有什么专用一说。

电调编程什么意思?
首先要说明电调是有很多功能模式的,选择这个功能就是对电调编程。
编程的途径可以直接将电调连接至遥控接收机的油门输出通道(通常是3通道),按说明书,在遥控器上通过搬动摇杆进行设置,这个方法比较麻烦,但节约。另外,还可以通过厂家的编程卡来进行设置(需要单独购买),方法简单,无需接遥控器。
为了保险,一定要将购买的电调设置一致,否则容易难于控制。如:电调的启动模式不一样,那么有些都转很快了,有些还很慢,这就有问题了。
注:通过遥控器进行设置电调,一定要接上电机,因为说明书上说的“滴滴”类的声音,是通过电机发出来的。我开始就是因为没有接电机,还疑惑怎么没声音,以为坏了。

无刷电机与螺旋桨篇
电机分为有刷电机和无刷电机,不要买错了,无刷是四轴的主流。它力气大,耐用。
电机的型号含义?
经常看人说什么2212电机,2018电机等等,到底是什么意思呢?这其实电机的尺寸。
不管什么牌子的电机,具体都要对应4位这类数字,其中前面2位是电机转子的直径,后面2位是电机转子的高度。注意,不是外壳哦。
简单来说,前面2位越大,电机越肥,后面2位越大,电机越高。 又高又大的电机,功率就更大,适合做大四轴。 通常2212电机是最常见的配置了。
这里写图片描述

什么是电机kv值?
每个无刷电机都会标准多少kv值,这个kv是外加1v电压对应的每分钟空转转速,例如:1000kv电机,外加1v电压,电机空转时每分钟转1000转,外加2v电压,电机空转就2000转了。

桨的型号含义?
同电机类似,桨也有啥1045,7040这些4位数字,前面2位代表桨的直径(单位:英寸 1英寸=254毫米)后面2位是桨的角度。

什么是正反桨,为什么需要它?
四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋,相隔的桨旋转方向是不一样的,所以需要正反桨。正反桨的风都向下吹。适合顺时针旋转的叫正浆、适合逆时针旋转的是反浆。安装的时候,一定记得无论正反桨,有字的一面是向上的(桨叶圆润的一面要和电机旋转方向一致)。

电机与螺旋桨的搭配
这是非常复杂的问题,我自己也在研究当中,所以建议采用大家常见的配置吧,但原理这里可以阐述一下。
螺旋桨越大,升力就越大,但对应需要更大的力量来驱动;
螺旋桨转速越高,升力越大;
电机的kv越小,转动力量就越大;
综上所述,大螺旋桨就需要用低kv电机,小螺旋桨就需要高kv电机(因为需要用转速来弥补升力不足)
如果高kv带大桨,力量不够,那么就很困难,实际还是低俗运转,电机和电调很容易烧掉。
如果低kv带小桨,完全没有问题,但升力不够,可能造成无法起飞。
例如:常用1000kv电机,配10寸左右的桨。

电池和充电器篇
为什么要选锂电池?
同样电池容量锂电最轻,起飞效率最高。

电池的多少mah时什么意思?
表示电池容量,如1000mah电池,如果以1000ma放电,可持续放电1小时。如果以500mh放电,可以持续放电2小时。

电池后面的2s,3s,4s什么意思?
代表锂电池的节数,锂电池1节标准电压为3.7v,那么2s电池,就是代表有2个3.7v电池在里面,电压为7.4v。

电池后面多少c是什么意思?
代表电池放电能力,这是普通锂电池和动力锂电池最重要区别,动力锂电池需要很大电流放电,这个放电能力就是C来表示的。如1000mah电池 标准为5c,那么用5x1000mah,得出电池可以以5000mh的电流强度放电。
这很重要,如果用低c的电池,大电流放电,电池会迅速损坏,甚至自燃。

多少c快充是什么意思?
这个与上面的c一样,只是将放电变成了充电,如1000mah电池,2c快充,就代表可以用2000ma的电流来充电。所以千万不要图快冒然用大电流,超过规定参数充电,电池很容易损坏。

怎么配电池?
这与选择的电机、螺旋桨,想要的飞行时间相关。
容量越大,c越高,s越多,电池越重;
基本原理是用大桨,因为整体搭配下来功率高,自身升力大,为了保证可玩时间,可选高容量,高c,3s以上电池。最低建议1500mah,20c,3s。
小四轴,因为自身升力有限,整体功率也不高,就可以考虑小容量,小c,3s以下电池。(没玩过,不做建议)

平衡充电什么意思
如3s电池,内部是3个锂电池,因为制造工艺原因,没办法保证每个电池完全一致,充电放电特性都有差异,电池串联的情况下,就容易照常某些放电过度或充电过度,充电不饱满等,所以解决办法是分别对内部单节电池充电。动力锂电都有2组线,1组是输出线(2根),1组是单节锂电引出线(与s数有关),充电时按说明书,都插入充电器内,就可以进行平衡充电了。

机架篇
机架的轴长短有没有规定?
理论上讲,只要4个螺旋桨不打架就可以了,但要考虑到,螺旋桨之间因为旋转产生的乱流互相影响,建议还是不要太近,否则影响效率。 这也是为什么四轴用2叶螺旋桨比用3叶螺旋桨多的原因之一(3叶的还有个缺点,平衡不好做)

【实战调试】
安装好四轴以后是需要做一些准备工作的,这里以我用过的kk飞控为例
Kk飞控的连接
这里写图片描述

飞控解锁
飞控接上电不是马上可以起飞的,这是安全设计,所以需要解锁。(飞控设置略,很多攻略了)
通上电,飞控板上的灯是不亮的,只有电调发出的滴滴声,将油门打到最低(注意油门方向,需要实现确定是设置的向上为最低,还是向下为最低),然后方向舵向右板到底,飞控板的灯就会亮,电调也不会再继续发声,说明准备好起飞了。

螺旋桨的安装
调试完毕,最后安装螺旋桨,安装好后,第一件事是拿手上,轻加油门,看看是否风都往下吹,电机的旋转是否是 正转和反转间隔的。如果剧烈抖动,并且升力很小,就应该是正反浆没有安装对。交换一下。 如果旋转方向不是间隔的,就需要将电调和电机的连接线1和3,交换一下,进行旋转方向校正。 次序为,先方向,后螺旋桨。

注意电池过放
电调是可以设置电池低压保护的,但尽量不要等电调保护的时候才充电,这样可以延长使用寿命。

我怎么知道能正常起飞?
一切准备完毕,怎么知道可以试飞了呢,我个人建议为了避免匆忙上马,秒炸。先拿手上试飞比较好,但要注意离身体距离。
拿手上通电,加油门,如果一切正常,四轴是 不会大幅度的晃动的,而是比较平稳。还可以故意左右晃动一下,会感觉到四轴保持平衡的反力量,只要达到这个效果,就基本达到了试飞的条件。kk飞控我复位了好几次,只要没有意外,是基本都能成功的。
试飞场地建议选草坪,这样的不容甩坏。

我感觉初学者最容易犯的错误是看见一飞高,紧张了就猛减油门,这样就会垂直落地,一定要有心理准备,只要不伤人,在比较高的情况下,还是慢减油门比较好。
最后秀一下我做的第一个四轴,还不完善,工艺较差。
这里写图片描述
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